3期 崔德杰等:土壤重金属污染现状与修复技术研究进展 24.1植物修复技术是一种利用自然生长或遗传植物对重金属的吸收,挥发或固定效率19。如动胶 培育植物修复重金属污染土壤的技术。根据其作用过菌、蓝细菌、硫酸还原菌及某些藻类,能够产生胞外聚 程和机理,重金属污染土壤的植物修复技术可分为植合物与重金属离子形成络合物; Macaskie等分离的柠 物提取、植物挥发和植物稳定三种类型121 檬酸菌,分解有机质产生的HPO与Cd形成 (1)植物提取即利用重金属超积累植物从土壤 CdHPO沉淀;李志超发现有些微生物能把剧毒的甲 中吸取金属污染物,随后收割地上部并进行集中处理,基汞降解为毒性小、可挥发的单质Hg; Frankenberg等 连续种植该植物达到降低或去除土壤重金属污染的以Se的微生物甲基化作为基础进行原位生物修 目的。目前已发现有700多种超积累重金属植物,积复130)。耿春女等利用菌根吸收和固定重金属FeMn 累Cr、Co、Ni、Cu、Pb的量一般在0.1%以上,Mn、ZnZn、Cu取得了良好的效果3。 可达到1%以上21。遏蓝菜属是一种已被鉴定的Zn2.5农业生态修复 和Cd超积累植物, Baker和 Nc grath研究发现,土壤 农业生态修复主要包括两个方面:一是农艺修复 含Zn444gkg时,遏蓝菜地上部Zn的含量可达到措施。包括改变耕作制度,调整作物品种,种植不进入 土壤的16倍。柳属的某些物种能大量富集Cd;印度食物链的植物,选择能降低土壤重金属污染的化肥,或 芥菜对αd、Ni、Zn、Cu富集可分别达到58、52、31、17增施能够固定重金属的有机肥等措施,来降低土壤重 和7倍231;芥子草等对Se、Pb、Cr、Cd、Ni、Zn、Cu具有金属污染。二是生态修复。通过调节诸如土壤水分 较强的累积能力; Robinson报告了高生物量Ni超累积土壤养分、土壤pH值和土壤氧化还原状况及气温湿 植物,吸收提取Ni量可达168kghm2131;高山萤属度等生态因子,实现对污染物所处环境介质的调控。 类可吸收高浓度的Cu、Oo、Mn、Pb、Se、Cd和Zn。我我国在这一方面研究较多32-3,并取得了一定的成 国学者对植物提取也进行了一些研究如在我国南方效。但利用该技术修复污染土壤周期长,效果不显著。 累植物对Cd污染土壤进行修复研究21蒋先军等发3土壤重金属污染修复技术研究展望 现,印度芥菜对Cu、Zn、Pb污染的土壤有良好修复效 采用工程、物理化学和化学方法修复重金属污染 果 土壤,具有一定的局限性,难以大规模处理污染土壤 (2)植物挥发其机理是利用植物根系吸收金属,并且能导致土壤结构破坏,生物活性下降和土壤肥力 将其转化为气态物质挥发到大气中,以降低土壤污染。退化。农业生态措施又存在周期长,效果不显著的特 目前研究较多的是Hg和Se湿地上的某些植物可清点。生物修复是一项新兴的高效修复技术,具有良好 除土壤中的Se,其中单质占75%,挥发态占20~的社会生态综合效益,并且易被大众接受。因此,具 25%2。挥发态的Se主要是通过植物体内的ATP有广阔的应用前景。以下几个方面将成为该领域研究 硫化酶的作用,还原为可挥发的CH3SeCH和的重点。 CH3 Sese ch3; Meagher等把细菌体中的Hg还原酶基 (1)超累积植物筛选与培育。超累积植物是在重 因导入芥子科植物,获得耐g转基因植物,该植物能金属胁迫条件下的一种适应性突变体,往往生长缓慢, 从土壤中吸收Hg并将其还原为挥发性单质Hg231 生物量低,气候环境适应性差,具有很强的富集专 (3)植物稳定利用耐重金属植物或超累积植物性。因此,筛选、培育吸收能力强,同时能吸收多种重 降低重金属的活性,从而减少重金属被淋洗到地下水金属元素,且生物量大的植物是生物修复的一项重要 或通过空气扩散进一步污染环境的可能性。其机理主任务。 要是通过金属在根部的积累、沉淀或根表吸收来加强 (2)分子生物学和基因工程技术的应用。随着分 土壤中重金属的固化。如,植物根系分泌物能改变土子生物技术迅猛发展将筛选、培育出的超累积植物和 壤根际环境,可使多价态的Cr、Hg、As的价态和形态微生物基因导入生物量大、生长速度快适应性强的植 发生改变,影响其毒性效应。植物的根毛可直接从土物中去已成为现实,因此,利用分子生物技术提高植物 壤交换吸附重金属增加根表固定(211。 修复的实用性方面将取得突破性进展 2.4.2微生物修复技术微生物在修复被重金属污 (3)生物修复综合技术的研究。重金属污染土壤 染的土壤方面具有独特的作用。其主要作用原理是:的修复是一个系统工程,单一的修复技术很难达到预 微生物可以降低土壤中重金属的毒性;微生物可以吸期效果,必须以植物修复为主,辅以化学、微生物及农 附积累重金属;微生物可以改变根际微环境,从而提高业生态措施增加重金属的生物有效性,促进植物的生 2 01995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Lid. All rights reserved.2. 4. 1 植物修复技术 是一种利用自然生长或遗传 培育植物修复重金属污染土壤的技术。根据其作用过 程和机理 ,重金属污染土壤的植物修复技术可分为植 物提取、植物挥发和植物稳定三种类型[21 ] 。 (1) 植物提取 即利用重金属超积累植物从土壤 中吸取金属污染物 ,随后收割地上部并进行集中处理 , 连续种植该植物 ,达到降低或去除土壤重金属污染的 目的。目前已发现有 700 多种超积累重金属植物 ,积 累 Cr、Co、Ni、Cu、Pb 的量一般在 0. 1 %以上 ,Mn、Zn 可达到 1 %以上[22 ] 。遏蓝菜属是一种已被鉴定的 Zn 和 Cd 超积累植物 ,Baker 和 Nc Grath 研究发现 ,土壤 含 Zn 444mg kg - 1时 ,遏蓝菜地上部 Zn 的含量可达到 土壤的 16 倍。柳属的某些物种能大量富集 Cd ;印度 芥菜对 Cd、Ni、Zn、Cu 富集可分别达到 58、52、31、17 和 7 倍[23 ] ;芥子草等对 Se、Pb、Cr、Cd、Ni、Zn、Cu 具有 较强的累积能力 ;Robinson 报告了高生物量 Ni 超累积 植物 ,吸收提取 Ni 量可达 168kg hm - 2[21 ] ;高山萤属 类可吸收高浓度的 Cu、Co、Mn、Pb、Se、Cd 和 Zn。我 国学者对植物提取也进行了一些研究 ,如在我国南方 发现一批 As 超累积植物[24 ] ;刘云国等利用 10 种超积 累植物对 Cd 污染土壤进行修复研究[26 ] ;蒋先军等发 现 ,印度芥菜对 Cu、Zn、Pb 污染的土壤有良好修复效 果[25 ] 。 (2) 植物挥发 其机理是利用植物根系吸收金属 , 将其转化为气态物质挥发到大气中 ,以降低土壤污染。 目前研究较多的是 Hg 和 Se。湿地上的某些植物可清 除土壤中的 Se ,其中单质占 75 % , 挥发态占 20 ～ 25 %[27 ] 。挥发态的 Se 主要是通过植物体内的 A TP 硫化 酶 的 作 用 , 还 原 为 可 挥 发 的 CH3SeCH3 和 CH3SeSeCH3 ;Meagher 等把细菌体中的 Hg 还原酶基 因导入芥子科植物 ,获得耐 Hg 转基因植物 ,该植物能 从土壤中吸收 Hg 并将其还原为挥发性单质 Hg [28 ] 。 (3) 植物稳定 利用耐重金属植物或超累积植物 降低重金属的活性 ,从而减少重金属被淋洗到地下水 或通过空气扩散进一步污染环境的可能性。其机理主 要是通过金属在根部的积累、沉淀或根表吸收来加强 土壤中重金属的固化。如 ,植物根系分泌物能改变土 壤根际环境 ,可使多价态的 Cr、Hg、As 的价态和形态 发生改变 ,影响其毒性效应。植物的根毛可直接从土 壤交换吸附重金属增加根表固定[21 ] 。 2. 4. 2 微生物修复技术 微生物在修复被重金属污 染的土壤方面具有独特的作用。其主要作用原理是 : 微生物可以降低土壤中重金属的毒性 ;微生物可以吸 附积累重金属 ;微生物可以改变根际微环境 ,从而提高 植物对重金属的吸收 ,挥发或固定效率[29 ] 。如动胶 菌、蓝细菌、硫酸还原菌及某些藻类 ,能够产生胞外聚 合物与重金属离子形成络合物 ;Macaskie 等分离的柠 檬酸 菌 , 分 解 有 机 质 产 生 的 HPO2 - 4 与 Cd 形 成 CdHPO4沉淀 ;李志超发现有些微生物能把剧毒的甲 基汞降解为毒性小、可挥发的单质 Hg ; Frankenber 等 以 Se 的微生物甲基化作为基础进行原位生物修 复[30 ] 。耿春女等利用菌根吸收和固定重金属 Fe、Mn、 Zn、Cu 取得了良好的效果[31 ] 。 2. 5 农业生态修复 农业生态修复主要包括两个方面 :一是农艺修复 措施。包括改变耕作制度 ,调整作物品种 ,种植不进入 食物链的植物 ,选择能降低土壤重金属污染的化肥 ,或 增施能够固定重金属的有机肥等措施 ,来降低土壤重 金属污染。二是生态修复。通过调节诸如土壤水分、 土壤养分、土壤 p H 值和土壤氧化还原状况及气温、湿 度等生态因子 ,实现对污染物所处环境介质的调控。 我国在这一方面研究较多[32 - 34 ] ,并取得了一定的成 效。但利用该技术修复污染土壤周期长 ,效果不显著。 3 土壤重金属污染修复技术研究展望 采用工程、物理化学和化学方法修复重金属污染 土壤 ,具有一定的局限性 ,难以大规模处理污染土壤 , 并且能导致土壤结构破坏 ,生物活性下降和土壤肥力 退化。农业生态措施又存在周期长 ,效果不显著的特 点。生物修复是一项新兴的高效修复技术 ,具有良好 的社会、生态综合效益 ,并且易被大众接受。因此 ,具 有广阔的应用前景。以下几个方面将成为该领域研究 的重点。 (1) 超累积植物筛选与培育。超累积植物是在重 金属胁迫条件下的一种适应性突变体 ,往往生长缓慢 , 生物量低 ,气候环境适应性差 ,具有很强的富集专一 性。因此 ,筛选、培育吸收能力强 ,同时能吸收多种重 金属元素 ,且生物量大的植物是生物修复的一项重要 任务。 (2) 分子生物学和基因工程技术的应用。随着分 子生物技术迅猛发展 ,将筛选、培育出的超累积植物和 微生物基因导入生物量大、生长速度快、适应性强的植 物中去已成为现实 ,因此 ,利用分子生物技术提高植物 修复的实用性方面将取得突破性进展。 (3) 生物修复综合技术的研究。重金属污染土壤 的修复是一个系统工程 ,单一的修复技术很难达到预 期效果 ,必须以植物修复为主 ,辅以化学、微生物及农 业生态措施 ,增加重金属的生物有效性 ,促进植物的生 3 期 崔德杰等 :土壤重金属污染现状与修复技术研究进展 963 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved